Python金融數(shù)據(jù)挖掘與分析實戰(zhàn)課程教案教學教案

Python金融數(shù)據(jù)分析與挖掘?qū)崙?zhàn)課程教案

廣西民族師范學院XXX

論

理

學

教實驗

教學內(nèi)容課外實驗

時

序號學實驗（實踐）內(nèi)容

學時

1第1章Python基本30本章練習

2第2章科學計算包Numpy52本章練習

3第3章數(shù)據(jù)處理包Pandas52本章練習

4第4章數(shù)據(jù)可視化包Malplollib52本章練習

5第5章機器學習包Scikit-leam168本章練習

6第6章關(guān)聯(lián)規(guī)則基本知識52本章練習

7第7章基本案例154本章練習綜合實訓1

8第8章上市公司綜合評價94本章練習綜合實訓2

9第9章股票價格漲跌趨勢預測124本章練習綜合實訓3

第10章股票價格形態(tài)聚類與收益分

10124本章練習綜合實訓4

析

11第11章行業(yè)聯(lián)動與輪動分析124本章練習綜合實訓5

合計10242

第1章Python基本

授課方式：機房數(shù)學,講授+實驗，

教學重點：Python發(fā)行版Anaconda地安裝與啟動,Spyder集成開發(fā)工具地使用與Python擴

展包地安裝方法;Python基本語法，數(shù)據(jù)類型，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與主要方法;循環(huán)，條件語句，函數(shù)定義與

應用。

教學難點：數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與主要方法，循環(huán)語句，條件語句

實驗題目：本章課后練習

教學內(nèi)容：

1.1Python概述（簡要略講）

1.21.2Python安裝與啟動（簡要介紹，然后讓學生自己動手搭建環(huán)境）

1.2.1Python安裝

1.2.2Python啟動與界面認識（教師邊演示邊講解）

1.3Python擴展包安裝

1.3.1在線安裝（邊演示邊講解）

1.3.2離線安裝（學生自學）

1.4Python基本數(shù)據(jù)類型與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Python基本數(shù)據(jù)類型包含數(shù)值，字符串,而列表，元組，集合，字典稱為數(shù)據(jù)容器或者數(shù)據(jù)結(jié)

構(gòu)。

1.4.1數(shù)值地定義

數(shù)值在現(xiàn)實應用中最為廣泛，常見地數(shù)值包含整型數(shù)據(jù)與浮點型數(shù)據(jù)。整型數(shù)據(jù)常用來

表示整數(shù)，如0,1,2,3,1002…;浮點型數(shù)據(jù)用來表示實數(shù)，如L014.24.3o布爾型數(shù)據(jù)可以看成

是一種特殊地整型，只有True與False,分別對應整型地1與0。示例代碼如下：

nl=2￥整型

n2=1.3#浮點型

n3=float(2)#轉(zhuǎn)換為浮點型

t=True￥布爾真

f=False#布爾假

n4=t==l

n5=f==0

1.4.2字符串地定義

字符串主要用來表示文本數(shù)據(jù)類型，字符串中地字符可以是數(shù)值,ASCII字符，各種符號。

字符串地定義可以用一對單引號或者一對三引號括起來。示例代碼如下：

sl=,1234,

s2='''helloword!**'

s3=*ILikepython,

1.4.3列表地定義

列表作為Python中地一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以存放不同類型地數(shù)據(jù)，川中括號括起來進行定

義。示例代碼如下：

Ll=[l,2,3,4,5,6]

L2=[l,2,'HE',3,5]

L3=['KJ\'CK\'HELLO1]

1.4.4元組地定義

元組與列表類似，也是Python中一種常用地數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不同之處在于元組中地元素不能

修改,元組采用圓括號括起來進行定義。示例代碼如下：

11=（1,2,3,4,6）

t2=(l,2,'kl')

t3=(,hl,,'h2','h3')

1.4.5集合地定義

集合也是Python中地數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，它是一種不重復元素地序列,用大括號括起來進行定義。

示例代碼如下：

Jl={l,?h',2,3r9}

J2={l,*h',2,3,9,2)

J3={'KR\'LY\'SE'}

J4={,KR,,'LY\'SE\'SE'}

print(JI)

print(J2)

print(J3)

print(J4)

執(zhí)行結(jié)果如下：

{1,2,3,9}

{1,2,3,'h\9)

{'LY\?SE','KR'}

{?LY','KR')

從執(zhí)行結(jié)果可以看出，集合保持了元素地唯一性，對于重復地元素只取一個。

1.4.6字典地定義

字典是Python中一種按鍵值定義地數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其中鍵必須唯一，但值不必。字典用大括號

括起來進行定義。字典中地元素由鍵與值兩部分組成，鍵在前值在后，鍵與值之間用冒號(:)來

區(qū)分，元素之間用逗號隔開。鍵可以是數(shù)值，字符，值可以是數(shù)值,字符或者其它Python數(shù)據(jù)結(jié)

構(gòu)(比如列表，元組)。示例代碼如下：

,,,

dl={l:h\2:[l,2,k],3:9)

,

d2={'a':2Z?b*:ky*}

d3-{'ql':[90,100],,k2,:,kkk')

1.5Python相關(guān)地公有方法

Python地公有方法是指Python中大部分地數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)均可以通用地一種數(shù)據(jù)操作方法。

下面主要介紹索引，切片，求長度，統(tǒng)計，成員身份確認，變量刪除常用地數(shù)據(jù)操作方法

1.5.1索引

索引即通過下標位置定位來訪問指定數(shù)據(jù)類型變量地值，示例代脩如下：

s3=*ILikepython,

Ll=[l,2,3,4,5,6]

t2=(l,2,?kl')

dl={l:'h',2:[1,2Jk，],3:9}

d3={?ql*:[90,100],^2*:'kkk*)

Print(s3[0],s3[l],Ll[0],t2[2],dl[3]/d3['k2'])

print(*-**40)

執(zhí)行結(jié)果如下：

I1kl9kkk

事實上，字符串，列表，元組均可以通過其下標地位置訪問元素，注意下標從0開始。字典則

是通過其鍵值來訪問元素。printC」*40)表示輸出40個符號，注意print函數(shù)輸出內(nèi)容要

用小括號括起來。需求說明地是，集合類型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，不支持索引訪問。

1.5.2切片

切片是指定索引位置，對數(shù)據(jù)實現(xiàn)分塊訪問或提取地一種數(shù)據(jù)操作方式，在數(shù)據(jù)處理中具

有廣泛地應用。下面簡單介紹字符串，列表，元組地切片方法，示例代碼如下：

s2=,''helloword!*1'

L2=[l,2,'HE?,3,5]

t2=(lz2/*kl')

s21=s2[0:]

s22=s2[0:4]

s23=s2[:]

s24=s2[l:6:2]

L21=L2[1:3]

L22-L2[2:]

L23=L2[:]

t21=t2[0:2]

t22=t2[:]

print(s21)

print(s22)

print(s23)

print(524)

print(L21)

print(L22)

print(L23)

print(t21)

print(t22)

執(zhí)行結(jié)果如下：

helloword!

hell

helloword!

el

[2,'HE']

['HE',3,5]

[b2,'HE\3,5]

32)

(1,2,1kl1)

字符串地切片，針對字符串中地每個字符進行操作;列表，元組地切片，則是針對其中地元

素。切片地方式為：開始索引位置一結(jié)束索引位置+1。注意開始索引從。開始，如果省掉開

始索引位置或結(jié)束索引位置，則默認為0或者最后地索引位置。

1.5.3長度

字符串地長度為字符串中所有字符地個數(shù)，空格也算一個字符;列表，元組，集合地長度，即

為元素地個數(shù);字典地長度為犍地個數(shù)。求變量數(shù)據(jù)地長度在程序編寫中經(jīng)常用到,Python中

提供了一個函數(shù)len()來實現(xiàn)，示例代碼如下：

s3=*ILikepython,

—23,4,5,6]

t2=(l,2,?kl')

J2={1Jh，，2,3,9}

dl={l:'h',2:[1,2

kl=len(s3)

k2=len(Ll)

k3=len(t2)

k4=len(J2)

k5=len(dl)

1.5.4統(tǒng)計

統(tǒng)計包含求最大值,最小值，求與，可以是列表，元組，字符串，示例代碼如下：

Ll=[l,2,3,4,5,6]

tl=(l,2,3,4,6)

s2=*''helloword!**'

ml=max(LI)

m2=max(tl)

m3=min(LI)

m4=sum(tl)

m5=max(s2)

1.5.5成員身份

成員身份地確認，使用in命令用來判斷某個元素是否屬于指定地數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)變量。示例代

碼如下：

Ll=[l,2,3,4,5,6]

tl=(l,2,3,4,6)

S2=?''helloword!'?'

J2={1,,hl2,3,9JSE，}

zl='I'ins2

z2=，kj'inLI

z3=2intl

z4=,SE,inJ2

1.5.6變量刪除

程序運行過程中,存在大量地中間變量，這些變量一來占用空間，二來影響可讀性,可以使

用del命令刪除不必要地中間變量。示例代碼如下：

a=(l,2,3,4];

b='srt'

C={1:4Z2:7,3:8Z4:9}

dela,b

執(zhí)行該程序代碼,刪除了a,b兩個變量,而變量c保留。

1.6列表，元組，字符串與字典方法

1.6.1列表方法

這里主要介紹列表中一些常用地方法，包含空列表地產(chǎn)生，向列表中添加元素，列表擴展,

列表中元素地統(tǒng)計,返回列表中地index下標，刪除列表元素，對列表進行排序。為方便說明相

關(guān)方法地應用，下面定義幾個列表，示例代碼如下：

Ll=[l,2,3,4,5,6]

L2=[l,2,?HE1,3,5)

L3=['KJ\'CK\'HELLO']

14=[1,4,2,3,8,4,7]

1.創(chuàng)建空列表：list()

在Python中，用list函數(shù)創(chuàng)建空地列表，也可以用“口”來定義。在程序編寫過程中，預定

義變量是常見地，其中列表就是其中一種常見地方式。示例代碼如下：

L=list()#產(chǎn)生空列表L

L=[]#也可以用〔)來產(chǎn)生空列表

2.添加元素：append()

可以利用append函數(shù)依次向列表中添加元素。示例代碼如下：

Ll-appendCH1)#向L1列表增加元素<H>

print(LI)

fortinL2:#利用循球,將L2中地元素,依次順序添加到前面新建地空列表L中

L.append(t)

print(L)

執(zhí)行結(jié)果如下：

[b2,3,4,5,6,'H'J

[1,2,'HE\3,5]

3.擴展列表：extend()

與append函數(shù)不同,extend函數(shù)在列表后面添加整個列表。示例代碼如下：

Ll.extend(L2)#在前面地L1基本上,添加整個L2至其后面

print(L1)

執(zhí)行結(jié)果如下：

[1,2,3,4,5,6,'Hl1,2,'HE\3,5]

4.元素數(shù)：count()

可以利用count函數(shù)統(tǒng)計列表中某個元素出現(xiàn)地次數(shù)，示例代碼如下：

print「元素2出現(xiàn)地次數(shù)為：\L1.count(2))

執(zhí)行結(jié)果如下：

元素2出現(xiàn)地次數(shù)為：2

需求說明地是，這里地L1是在添加了L2列表之后更新地列表。

5.返回下標:index()

在列表中，可以通過index函數(shù)返回元素地下標。示例代碼如下：

print地索引下標為：\LI.index('H?))

執(zhí)行結(jié)果如下：

H地索引下標為:6

6.刪除元素:remove()

在列表中，可以通過remove函數(shù)刪除某個元素。示例代碼如下：

Ll.removeCHE*)#刪除HE兀素

print(Ll)

執(zhí)行結(jié)果如下：

[1,2,3,4,5,6,'Hl1,2,3,5]

7.元素排序：sort()

可以通過sort函數(shù)而列表元素進行排序,按升序排序。示例代碼如下：

L4.sort()

print(L4)

執(zhí)行結(jié)果如下：

L2,3,4,4,1,8]

特別說明地是，列表中地元素可以修改，但是元組中地元素不能修改。示例代碼如下:

L4[2]=10

print(L4)

執(zhí)行結(jié)果如下：

[1,2,10,4,4,1,8]

而以下示例程序則會報錯：

t=(l,2,3,4)

t[2]=104報錯

1.6.2元組方法

元組作為Python地一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，與列表有相似之處，其最大地區(qū)別是列表地元素可以

修改,而元組中地元素不能修改。本節(jié)主要介紹元組中幾個常用地方法,包含空元組地產(chǎn)生,

元組元素統(tǒng)計，返回元組元素index下標與元組地連接。下面通過定義兩個元組T1與T2,對元

組中地常用方法進行說明。

Tl=(l,2,2,4,5)

T2=('H2\3,,KL,)

1.創(chuàng)建空元組：tuple()

通過tuple函數(shù)，可以創(chuàng)建空元組。示例代碼如下：

tl=tuple()#產(chǎn)生空元組

t=()4產(chǎn)生空元組

2.元素計數(shù)：count()

通過count困數(shù)，可以統(tǒng)計兀組中某個兀素出現(xiàn)地次數(shù)。示例代碼如卜：

print「元素2出現(xiàn)地次數(shù)為：?,T1.count(2))

執(zhí)行結(jié)果如下：

元素2出現(xiàn)地次數(shù)為：2

3.返回下標：index。

與列表類似，通過index函數(shù)，可以返回元組某個元素地索引下標。示例代碼如下：

print「KL地下標索引為：',T2.index(?KL*))

執(zhí)行結(jié)果如下：

KL地下標索引為：2

4.元組連接

兩個元組地連接，可以直接用“+”號來完成。示例代碼如下：

T3=T1+T2

print(T3)

執(zhí)行結(jié)果如下：

32,2,4,5,'H2'z3,'KL')

1.6.3字符串方法

字符串作為基本地數(shù)據(jù)類型，也可以看作一種特殊地數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。在字符串地操作,是數(shù)據(jù)

處理,編程過程中必不可少地環(huán)節(jié),下面介紹幾種常見地字符串處理方法，包含空字符串地產(chǎn)

生，字符串地查找,字符串地替換，字符串地連接與比較。

1.創(chuàng)建空字符串：str()

通過str函數(shù)，可以創(chuàng)建空地字符串。示例代碼如下：

S=str()#產(chǎn)生空字符串

2.查找子串：find()

用find函數(shù)查找子串出現(xiàn)地開始索引位置，如果沒有找到則返回-1。示例代碼如下：

st=*helloword!*

zl=st.find(1he1,0,len(st))會返回包含子串地開始索引位置，否則T

z2=st.find(*he,,1,len(st))

print(zl,z2)

執(zhí)行結(jié)果為：

0-1

其中find函數(shù)第一個參數(shù)為需求查找地子串，第二個參數(shù)是待查字符串指定地開始位置,

第三個參數(shù)為指定待查字符串地長度。

3.替換子串：replace()

通過replace函數(shù)，可以替換指定地子串。示例代碼如下：

stt=st.replace('or*,*kl1)#原來地st不變

print(stt)

print(st)

執(zhí)行結(jié)果如下：

hellowkld!

helloword!

其中replace函數(shù)第一參數(shù)為被替換子串，第二個參數(shù)為替換子串，

4.字符串連接

字符串地連接，可以通過來實現(xiàn).示例代碼如下：

stl='joh*

st2=stl+‘*+st

print(st2)

執(zhí)行結(jié)果如下：

johhelloword!

5.字符串比較

字符串地比較也很簡單，可以直接通過號或不號“=="，"!=”來進行判斷。示例代碼如

下：

strl='jo,

str2='qb'

str3='qb'

sl=5trl!?str2

s2=str2==str3

print(si,s2)

執(zhí)行結(jié)果如下：

TrueTrue

1.6.4字典方法

字典作為Python中非常重要地一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在編程中應用極為廣泛，特別是與第3章中

地數(shù)據(jù)框進行靈活轉(zhuǎn)換并實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理是一種非常重要地編程技能。不小節(jié)主要介紹字典中

幾個常用地方法，包含字典地定義，字典取值，字典賦值。

1.創(chuàng)建字典：dict()

通過diet函數(shù),可以創(chuàng)建字典，也可以將嵌套列表轉(zhuǎn)換為字典。示例代碼如下：

d=dict()￥產(chǎn)生空字典

D={}#產(chǎn)生空字典

#嵌套色素為元組

list2=[['a'/-ok'],['b'z'Ik']/[3,'1k']]#嵌套元素為列表

dl=dict(listl)

d2=dict(list2)

print(*d=：\d)

print(1D=:',D)

print('dl=:*,dl)

print(*d2=:*,d2)

執(zhí)行結(jié)果如下：

d={}

D=()

11,,

dl={0:'ok,'I:?lk'z'0011:lk)

d2={'a':'ok','b1:'lk‘，3:'Ik'}

2.獲取字典值：get()

通過get方法，可以獲取對應鍵地值。示例代碼如下：

print(d2.get('b*))

輸出結(jié)果如下：

1k

3.字典賦值：setdefault()

通過setdefault方法,可以對預定義地空字典進行賦值。示例代碼如下:

d.setdefault('a*,0)

D.setdefault('b*,[1,2,3,4,5])

print(d)

print(D)

執(zhí)行結(jié)果如下：

{0:0}

Cb':[1,2,3,4,5]}

1.7條件語句

條件判斷語句，是指滿足某些條件，才能做某件事情，而不滿足條件時是不允許做地。條件

語句在各類編程語言中均作為基本地語法或者基本語句使用,Python語言也不例外。這里主

要介紹if…卅…else…,if…elif…else…3種條件語句形式。

1.7.1if…語句

條件語句if…，其使用方式如下：

if條件：

執(zhí)行代碼塊

注意條件后面地冒號（英文格式輸入），同時執(zhí)行代碼塊均需求縮進并對齊。示例代碼

如下：

x=10

importmath￥導入數(shù)學函數(shù)庫

ifx>0:芋冒號

s=math.sqrt(x)#求平方根，縮進

print(*s=',s)去打印結(jié)果，縮進

執(zhí)行結(jié)果如下：

s=3.1622776601683795

1.7.2if…else…語句

條件分支語句if…else…，其使用方式如下:

if條件：

執(zhí)行語句塊

else:

執(zhí)行語句塊

同樣需求注意冒號與縮進對齊語法。示例代碼如下:

x=-10

importmath^導入數(shù)學函數(shù)庫

ifx>0:*冒號

s=math.sqrt(x)#求平方根，縮進

print('s=',s)#打印結(jié)果，縮進

else:

s=，負數(shù)不能求平方根，*提示語，縮進

print(*s=',s)#打印結(jié)果，縮進

執(zhí)行結(jié)果如下：

s=負數(shù)不能求平方根

1.7.3if???eIif…eIse…語句

條件分支語句if…elif…else…用法如下：

if條件：

執(zhí)行語句塊

elif條件：

執(zhí)行語句塊

else:

執(zhí)行語句塊

同樣，需求注意冒號與縮進對齊這兩種語法。示例代碼如下:

weather=?sunny1

ifweather=='sunny':

print(11shopping'1)

elifweather==*cloudy':

print("playingfootball")

else:

print("donothing")

執(zhí)行結(jié)果如下：

shopping

1.8循環(huán)語句

循環(huán)語句，即循環(huán)地執(zhí)行某一個過程或者一段程序代碼地語句.與其它語言類似，在

Python語言中，主要有while與for兩種循環(huán)語句方式。與其它語言不同地是,Python中地循

環(huán)語句也通過縮進語法來區(qū)分執(zhí)行地循環(huán)語句塊。

1.8.1while語句

循環(huán)語句while,其使用方式如下：

while條件：

執(zhí)行語句塊

注意執(zhí)行語句塊中地程序全部都要縮進并對齊。一般while循環(huán)需求預定義條件變量,

當滿足條件地時候，循環(huán)執(zhí)行語句塊地內(nèi)容。以求1到100地與為例，興用while循環(huán)實現(xiàn)，示

例代碼如下：

t=100

s=0

whilet:

s=s+t

t=t-l

print('s=1,s)

執(zhí)行結(jié)果如下：

s=5050

1.8.2for循環(huán)

循環(huán)語句for使用方式如下：

for變量in序列：

執(zhí)行語句塊

注意執(zhí)行語句塊中地程序全部需求縮進并對齊,其中序列為任意序列，可以是數(shù)組，列表,

元組。示例代碼如下：

listl=list()

list2=list0

list3=list()

forainrange(10):

listl.append(a)

fortin['a1,'b',1c*,'d']:

list2.append(t)

forqin(*k*,*j',*p'):

list3.append(q)

print(listl)

print(list2)

print(list3)

執(zhí)行結(jié)果如下：

[0,1,2,3,4,5,6,1,Sz9]

[?a\3,，c',d)

['k\少，|p']

示例程序首先創(chuàng)建了3個空列表listl,Iist2與Iist3,通過for循環(huán)地方式，依次將循環(huán)序列

中地元素添加到預定義地空列表中。

1.9函數(shù)

在實際開發(fā)應用中,如果若干段程序代碼實現(xiàn)邏輯相同，那么可以考慮將這些代碼定義為

函數(shù)地形式。下面我們介紹無返回值函數(shù)，有一個返回值函數(shù)與有多個返回值函數(shù)地定義與

調(diào)用方法。

1.9.1無返回值函數(shù)地定義與調(diào)用

無返回值函數(shù)地定義格式如下：

def函數(shù)名(輸入?yún)?shù))：

函數(shù)體

注意冒號與縮進，函數(shù)體中地程序均需求縮進并對齊。示例代碼如下：

#定義函數(shù)

defsumt(t):

s=0

whilet:

s=s+t

t=t-l

#調(diào)用函數(shù)并打印結(jié)果

s=sumt(50)

print(s)

執(zhí)行結(jié)果如下：

None

執(zhí)行結(jié)果為None,表示沒有任何結(jié)果，因為該函數(shù)沒有任何返回值。

1.9.2有返回值函數(shù)地定義與調(diào)用

有返回俏地函數(shù)定義如下：

def函數(shù)名稱(輸入?yún)?shù))：

函數(shù)體

return返回變量

示例代碼如下：

#定義函數(shù)

defsumt(t):

s=0

whilet:

s=s+t

t=t-l

returns

#調(diào)用函數(shù)并打印結(jié)果

s=sumt(50)

print(s)

執(zhí)行結(jié)果如下：

1275

該示例程序僅僅是在第191小節(jié)無返叵I值函數(shù)定義地基本上，增加了返回值。

1.9.3有多返回值函數(shù)地定義與調(diào)用

多返回值函數(shù)，可以用一個元組來存放返回結(jié)果，元組中地元素數(shù)據(jù)類型可以不相同，其

定義如下：

def函數(shù)名稱(輸入?yún)?shù))：

函數(shù)體

return(返回變量1,返回變量2,…)

示例代碼如下：

#定義函數(shù)

deftest(r):

importmath

s=math.pi*r**2

c=2*math.pi*r

L?(s,c)

D=[s,czL]

return(s,c,L,D)

件調(diào)用函數(shù)并打印結(jié)果

v=test(10)

s=v[0]

c=v[1]

L=v[2]

D=v[3]

print(s)

print(c)

print(L)

print(D)

執(zhí)行結(jié)果如下：

314.1592653589793

62.83185307179586

(314.1592653589793,62.83185307179586)

[314.1592653589793,62.83185307179586,(314.1592653589793,62.83185307179586)]

本章小結(jié)

本章作為Python地基本知識部分，首先介紹了Python與其發(fā)行版Anaconda地安裝與啟

動,集成開發(fā)工具Spyder地基本使用方法與查看Anaconda集成地Python包與安裝新擴展包

地方法;其次介紹了Python基本語法，包含數(shù)值,字符串，列表，元組，字典與集合Python基本數(shù)

據(jù)類型，以與其公有方法與私有方法;在流程控制語句方面，介紹了條件語句與循環(huán)語句;在

Python自定義函數(shù)方面,介紹了無返回值函數(shù)，有一個返回值與多個返回值函數(shù)地定義與調(diào)用

方法。

本章練習

1.創(chuàng)建一個Python腳本,命名為testl.py,實現(xiàn)以下功能：

（1）定義一個元組tl=（l,2爾;py/Matlab，）與一個空列表listl;

（2）以while循環(huán)地方式，用append。函數(shù)依次向listl中添加tl中地元素；

（3）定義一個空字典,命名為dictl;

<4）定義個嵌套列表口工牝[3,4,5],（1,2,6）,18,50],采用for循環(huán)地方式，用setdefault（）函

數(shù)依次將Li中地元素添加到dictl中，其中Li元素對應地鍵依次為a,b,c,d,e。

2.創(chuàng)建一個Python腳本,命名為test2.py,實現(xiàn)以下功能：

（1）定義一個函數(shù)，用于計算圓柱體地表面積，體積，函數(shù)名為put,輸入?yún)?shù)為r（底半

徑），h（高），返回值為S（表面積），V（體積），返回多值地函數(shù),可以用元組來表示。

（2）調(diào)用定義地函數(shù)put,計算底半徑（r）=10,高（h）=11地圓柱體表面積與體積，并輸

出其結(jié)果。

第2章科學計算包Numpy

授課方式：機房教學,講授+實驗，

教學重點：數(shù)組地創(chuàng)建，運算，切片，連接與存取。

教學難點：數(shù)組切片地理解

實驗題目：本章課后練習

教學內(nèi)容：

2.1Numpy簡介(簡要介紹)

Numpy是Python用于科學計算地基本包，也是大量Python數(shù)學與科學計算包地基本，不

少數(shù)據(jù)處理與分析包都是在Numpy基本上開發(fā)地，如后面介紹地Pandas包。Numpy地核心

基本是ndarray(N-dimensionalarray,N維數(shù)組)，即由數(shù)據(jù)類型相同地元素組成地N維數(shù)組。

本章主要介紹一維數(shù)組與二維數(shù)紐，包含數(shù)組地創(chuàng)建，運算，切片，連接，數(shù)據(jù)存取與矩陣與線性

代數(shù)運算，它與Matlab地向量與矩陣使用非常相似。

在Anaconda發(fā)行版中,Numpy包已集成在系統(tǒng)中，無須另外安裝。

2.2創(chuàng)建數(shù)組

本節(jié)主要介紹兩種創(chuàng)建數(shù)組地方法，一種是利用Numpy中地array函數(shù)將特定地數(shù)據(jù)類

型轉(zhuǎn)換為數(shù)組，另種是利用內(nèi)置函數(shù)創(chuàng)建指定尺寸地數(shù)組。

2.2.1利用array。函數(shù)創(chuàng)建數(shù)組

基于array。函數(shù)，可以將列表，元組，嵌套列表，嵌套元組給定地數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為數(shù)組。值得

注意地是，利用array函數(shù)之前,要導入Numpy。示例代碼如下:

#1.先預定義列表dl,元組d2,嵌套列表d3,d4與嵌套元組d5

dl=(l,2,3,4,0.1,7]例表

d2-(l,2,3,4,2.3)中元組

#嵌套列表，元素為列表

d3=[(l/2/3,4]r[5,6,7,8]]

d4=[(l,2,3,4),(5,6,7,8)]#嵌套列表，元素為元組

d5=((l,2,3,4),(5,6,7,8))林湎

#2.導入Numpy,并調(diào)用其中地arrya函數(shù)，創(chuàng)建數(shù)組

importnumpyasnp

dll=np.array(dl)

d21?np.array(d2)

d31=np.array(d3)

d41=np.array(d4)

d51=np.array(d5)

#3.fflj除dl,d2,d3,d4,d5變量

deldl,d2,d3,d4,d5

2.2.2利用內(nèi)置函數(shù)創(chuàng)建數(shù)組

利用內(nèi)置函數(shù)，可以創(chuàng)建一些特殊地數(shù)組。例如，可以利用ones(n,m)函數(shù)創(chuàng)建n行m列

元素全為1地數(shù)組，利用zeros(n,m)函數(shù)創(chuàng)建n行m列元素全為0地數(shù)組，利用arange(a,b,c)

創(chuàng)建以a為初始值,b-1為末值,c為步長地一維數(shù)組。其中a與c參數(shù)可省，這時a取默認值

為0,c取默認值為1。示例代碼如下:

zl=np.ones((3,3))件創(chuàng)建3行3列元素全為1地數(shù)組

z2=np.zeros((3,4))#創(chuàng)建3行4列元素全為0地數(shù)組

z3=np.arange(10)會創(chuàng)建默認初始值為0，默認步長為1，末值為9地一維數(shù)組

z4=np.arange(2,10),創(chuàng)建默認初始值為2，默認步長為1,末值為9地一維數(shù)組

z5=np.arange(2,10,2)#創(chuàng)建默認初始值為2,步長為2,末值為9地一維數(shù)組

2.3數(shù)組尺寸

數(shù)組尺寸，也稱為數(shù)組地大小，通過行數(shù)與列數(shù)來表現(xiàn)。通過數(shù)組中地shape屬性,可以返

回數(shù)組地尺寸，其返回值為元組。如果是一維數(shù)組，返回地元組中僅一個元素，代表這個數(shù)組地

長度。如果是二維數(shù)組，元組中有兩個值，第一個值代表數(shù)組地行數(shù)，第二個值代表數(shù)組地列

數(shù)。示例代碼如下：

#列表

d3=Ul,2,3,4J,[5,6,7,8”#嵌套列表，元素為列表

importnumpyasnp

dll=np.array(dl)#將dl列表轉(zhuǎn)換為一維數(shù)組，結(jié)果賦值給變量dll

d31=np.array(d3)#將d3嵌套列表轉(zhuǎn)換為二維數(shù)組，結(jié)果賦值給變量d31

deldlzd3#刪除dl,d3

sll=dll.shape￥返回一維數(shù)組dl1地尺寸,結(jié)果賦值給變量s11

s31=d31.shape#返回二維數(shù)組d31地尺寸，結(jié)果賦值給變量s31

在程序應用過程中,有時候需求將數(shù)組進行重排，可以通過reshape。函數(shù)來實現(xiàn)。示例代

碼如下：

r=np.array(range(9))#一維數(shù)組

rl=r.reshape((3,3))￥重排為3行3列

2.4數(shù)組運算

數(shù)組地運算主要包含數(shù)組之間地加，減，乘,除運算，數(shù)組地乘方運算,以與數(shù)組地數(shù)學函數(shù)

運算。示例代碼如下：

importnumpyasnp

A=np.array([[1,2],[3,4]])8定義二維數(shù)組A

B=np.array(([5,6],[7,8]])#定義二維數(shù)組B

C1=A-BB兩個數(shù)組元素之間相減,結(jié)果賦給變量C1

C2=A+B#,AB兩個數(shù)組元素之間相加,結(jié)果賦給變量C2

C3=A*BB兩個數(shù)組元素之間相乘,結(jié)果賦給變量C3

C4=A/B#,AB兩個數(shù)組元素之間相除,結(jié)果賦給變量C4

C5=A/3#A數(shù)組所有元素除以3,結(jié)果賦給變量C5

C6=l/A#1除以A數(shù)組所有元素，結(jié)果賦給變量C6

C7=A**2#A數(shù)組所有元素取平方，結(jié)果賦給變量C7

C8-np.array([1,2,3,3,1,4.5,6,7,8,9])#定義數(shù)組C8

C9=(CR-min(Cft))/(m^x(CR)-min(CA))#對CR中地元素做極差化處理，結(jié)果賦給變量工

D=np.array([[1,2,3,4],[5,€,7,8J,[9,10,11,12],[13,14,15,16：])芋定義數(shù)組D

年數(shù)學運算

El=np.sqrt(D)￥對數(shù)組D中所有元素取平方根，結(jié)果賦給變量E1

E2=np.abs([l,-2r-100])￥取絕對值

E3=np.cos((1,2,3])#取cos值

E4=np.sin(D)斗取sin值

E5=np.exp(D)￥取指數(shù)函數(shù)值

2.5數(shù)組切片

數(shù)組切片即抽取數(shù)組中地部分元素構(gòu)成新地數(shù)組，那么如何抽取妮？主要通過指定數(shù)組

中地行下標與列下標來抽取其元素，從而組成新地數(shù)組。下面介紹直接利用數(shù)組本身地索引

機制來切片與利用函數(shù)ix_()構(gòu)建索引器進行切片地兩種方法。

2.5.1常見地數(shù)組切片方法

一般地，假設(shè)D為待訪問或切H地數(shù)據(jù)變量，則訪問或者切片地數(shù)據(jù)=D[①,②]。其中①

為對D地行下標控制，②為對D地列下標控制，行與列下標控制通過整數(shù)列表來實現(xiàn)。但是需

求注意①整數(shù)列表中地元素不能超出D中地最大行數(shù)，而②不能超過D中地最大列數(shù)。為了

更靈活地操作數(shù)據(jù)，取所有地行或考列，可以用“：”來實現(xiàn)。同時，行控制還可以通過邏輯列

表來實現(xiàn)。示例代碼如下：

importnumpyasnp

D=np.array([[l,2,3,4],(5,€,7,8],[9,10,11,12],[13,14,15,16：])￥定義數(shù)組D

件訪問D中行為1,列為2地數(shù)據(jù)，注意下標是從0開始地

D12=D[1,2]

#訪問D中第1,3列數(shù)據(jù)

D1=D[:Z[1,3]]

#訪問D中第1,3行數(shù)據(jù)

D2=D[[1,3],:]

#取D中滿足第0列大于5地所有列數(shù)據(jù)，本質(zhì)上行控制為邏輯列表

Dtl=D[D[:,0]>5,:]

#取D中滿足第0列大于5地2,3列數(shù)據(jù),本質(zhì)上行控制為邏輯列表

#Dt2=D[D[:,0]>5,[2,3]]

TF=[True,False,False,True]

#取D中第0,3行地所有列數(shù)據(jù)，本質(zhì)上行控制為邏輯列表，取邏輯值為真地行

Dt3=D[TFz:]

#取口中第0,3行地2,3列數(shù)據(jù)

#Dt4=D[TF,[2,3]]

中大于4地所有元素

D5=D[D>4]

2.5.2利用ix_()函數(shù)進行數(shù)組切片

數(shù)組地切片也可以通過ix_()函數(shù)構(gòu)造行,列下標索引器實現(xiàn)。示例代碼如下：

importnumpyasnp

D=np.array([[l/2,3,4],[5,￡,7,8],[9,10,11,12],(13,14,15,16：])#定義數(shù)組D

什提取D中行數(shù)為1,2,列數(shù)為1,3地所有元素

D3=D[np.ix_([l,2]/[1,3])]

#提取D中行驗為0,1,列數(shù)為1,3地所有元素

D4=D[np.ix_(np.arange(2),[1,3])]

#提取以D中重1列小于11得到地邏輯數(shù)組作為行索引，列數(shù)為1,2地所有元素

D6=D[np.ix_(D[:,l]<llr[1,2])]

#提取以D中重1列小于11得到地邏輯數(shù)組作為行索引，列數(shù)為2地所有元素

D7=D[np.ix_(D[:,l]<ll,[2])]

#提取以第2.5.1節(jié)中地TF=[TruezFalse,False,TrueJ邏輯列表為行索弓列數(shù)為2地所有元素

TF=[True,False,False,True]

D8=D[np.ix_(TFz[2])]

#提取以第2.5.1節(jié)中地TF=[True,Fa1se,Fa1se,True】邏輯列表為行索弓I,列數(shù)為1,3地所有元素

D9=D(np.ix_(TF,[1,3])]

2.6數(shù)組連接

在數(shù)據(jù)處理中，多個數(shù)據(jù)源地集成整合是經(jīng)常發(fā)生地。數(shù)組間地集成.與整合主要體現(xiàn)在

數(shù)組間地連接，包含水平連接與垂直連接兩種方式。水平連接函數(shù)用hstack()實現(xiàn)，垂直連接函

數(shù)用vstack()實現(xiàn)。注意輸入?yún)?shù)為兩個待連接數(shù)組組成地元組。示例代碼如下：

importnumpyasnp

A=np.array([[1,2],[3,4]])#定義二維數(shù)組A

B=np.array([[5,6],[7,8]])#定義二維數(shù)組B

C_s=np.hstack((A,B))#水平連接要求行數(shù)相同

C_v=np.vstack((A,B))￥垂直連接要求列數(shù)相同

2.7數(shù)據(jù)存取

利用Numpy包中地save函數(shù)，可以將數(shù)據(jù)集保存為二進制數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)文件后綴名

為.npy。示例代碼如下:

importnumpyasnp

A=np.array([[lz2b[3,4]])#定義二維數(shù)組A

B=np.array([(5,6],[7,8]])手定義二維數(shù)組B

C_s=np.hstack((A,B))￥水平連接

np.save('data',C_s)

通過load函數(shù)，可以將該數(shù)據(jù)集加載，示例代碼如下:

importnumpyasnp

C_s=np.load('data.npyr)

救據(jù)地存取機制，提供了數(shù)據(jù)傳遞與使用地便利，特別是在有些程序運行結(jié)果需求花費大

量時間地時候，保存其結(jié)果以便后續(xù)使用是非常有必要地。

2.8數(shù)組形態(tài)變換

Numpy提供了reshape方法用于改變數(shù)組地形狀,reshape方法僅改變原始數(shù)據(jù)地形狀,

不改變原始數(shù)據(jù)地值。示例代碼如下：

importnumpyasnp

arr=np.arange(12)#創(chuàng)建一維ndarray

arrl=arr.reshape(3Z4)#設(shè)置ndarray地維度，改變其形態(tài)

以上示例代碼將一維數(shù)組形態(tài)變換為二維數(shù)組，事實上也可以將二維數(shù)組形態(tài)展平變換

為一維數(shù)組，通過ravel。函數(shù)即可實現(xiàn)。示例代碼如下：

importnumpyasnp

arr=np.arange(12).reshape(3,4)

arrl=arr.ravel()

2.9數(shù)組排序與搜索

通過Numpy提供地sort函數(shù)，可以對數(shù)組元素值按從小到大進行直接排序，示例代碼如

下：

importnumpyasnp

arr=np.array([5,2,3,3/1,9,8,6,7])

arrl=np.sort(arr)

通過Numpy提供地argmaxHargmin函數(shù)，可以返回待搜索數(shù)組最大值與最小值元素地

索引值，如果存在多個最大值或最小值,則返回第一次出現(xiàn)地索引。對于二維數(shù)組，可以通過設(shè)

置axis=0或1返回各列或各行最大值或最小值索引。需求注意地是索引從0開始。示例代碼

如下：

importnumpyasnp

arr=np.array([5,2,3,3,1,1,9,8,6,7,8,8))

arrl=arr.reshape(3,4)

maxindex=np.argmax(arr)

minindex=np.argmin(arr)

maxindexl=np.argmax(arrl,cxis=0)#返回各列最大值索引

minindexl=np.argmin(arrl,axis=l)#返回各彳^^小值索弓|

2.10矩陣與線性代數(shù)運算

2.10.1創(chuàng)建Numpy矩陣

在Numpy中可使用mat,matrix或bmat函數(shù)來創(chuàng)建矩陣。使用mat函數(shù)創(chuàng)建矩陣時，若

輸入或?qū)ο?，則不會為它們創(chuàng)建副本。因此，調(diào)用函數(shù)與調(diào)用

matrixndarraymatmatrix(dataz

copy=False)價，示例代碼如下：

importnumpyasnp

matl=np.mat("123;456;789")

mat2=np.matrix([[1,2,3],[4,5,6],[7,8,9]])

在矩陣地日常使用過程中,將小矩陣組合成大矩陣是一種頻率極高地操作。在Numpy中

可以使用bmat分塊矩陣函數(shù)實現(xiàn)，示例代碼如下：

importnumpyasnp

arrl=np.eye(3)

arr2=3*arrl

mat=np.bmat("arrlarr2;arrlarr2")

2.10.2矩陣地屬性與基本運算

矩陣有其特有地屬性，如表2-1所示。

表2-1矩陣特有屬性與其說明

屬性說明

T返回自身地轉(zhuǎn)置

H返回自身地共挽轉(zhuǎn)置

I返回自身地逆矩陣

矩陣屬性地具體查看方法，示例代碼如下：

importnumpyasnp

mat=np.matrix(np.arange(4).reshape(2,2))

mT=mat.T

mH=mat.H

ml=mat.I

在NumPy中，矩陣計算與ndarray計算類似，都可以作用于每個元素，比起使用for循環(huán)進

行計算，在速度上更加高效，示例代碼如下：

importnumpyasnp

matl=np.mat(M123;456;789")

mat2=matl*3

mat3=matl+mat2

mat4=matl-mat2

mat5=matl*mat2

mat6=np.multiply(matl/mat2)打點乘

2.10.3線性代數(shù)運算

線性代數(shù)是數(shù)學地,個重要分支。Numpy包含numpy.linalg模塊,提供線性代數(shù)所需地

功能,如計算逆矩陣，求解線性方程組，求特征值，奇異值分解以與求解行列式。numpy.linalg模

塊中地一些常用函數(shù)如表2-2所示。

表2-2常用地numpy.linalg函數(shù)

函數(shù)名稱說明

dot矩陣相乘

inv求逆矩陣

solve求解線性方程組Av=6

eig求特征值與特征向量

eigvals求特征值

svd計算奇異值分解

det求行列式

1.計算逆矩陣

在線性代數(shù)中，矩陣A與其逆矩陣A-1相乘得到一個單位矩陣人即AxAi=/。使用

numpy.linalg模塊中地inv函數(shù)可以計算逆矩陣，示例代碼如下：

importnumpyasnp

mat=np.mat('111;123;136')

inverse=np.linalg.inv(mat)

A=np.dot(mat,inverse)

2.求解線性方程組